光聲成像在婦科腫瘤的應用研究進展

龐未然

摘? 要：光聲成像技術是近年發展起來的一種新興生物醫學成像方法，它結合了純光學組織成像中高選擇特性和純超聲組織成像中深穿透特性的優點，可得到高分辨率和高對比度的組織深層圖像，從原理上避開了光散射的影響。近年來，光聲成像在臨床醫學的眾多學科中均有了相關的應用和發展，文章就光聲成像在婦科腫瘤中的研究進展進行綜述。

關鍵詞：光聲成像;婦科腫瘤;高分辨率;深穿透

中圖分類號：R318? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0193-02

Abstract： Photoacoustic imaging technology is a new biomedical imaging method developed in recent years， which combines the advantages of high selectivity in pure optical tissue imaging and deep penetration in pure ultrasonic tissue imaging. the deep tissue image with high resolution and high contrast can be obtained， which avoids the influence of light scattering in principle. In recent years， photoacoustic imaging has been applied and developed in many disciplines of clinical medicine. This paper reviews the research progress of photoacoustic imaging in gynecological tumors.

Keywords： photoacoustic imaging; gynecological neoplasms; high resolution; deep penetration

光聲成像是一種新型的、非侵入式的混合型生物醫學成像技術，它集光學成像的高對比度以及超聲成像的高穿透深度的優點于一身，為當前臨床醫學檢測提供了更優的方式，因此光聲成像的發展潛力是無限的。光聲成像的原理是：當生物組織在接收脈沖激光的照射時，組織內部的生色團會吸收脈沖激光的能量，將光能轉化為熱能，并通過分子振動和熱彈性效應，使局部初始壓力增加，因此產生超聲波，在組織體外部或腔內放置的超聲探測器就可以接收到這些超聲波，并根據探測到的光聲信號來重建組織內部對光的吸收分布圖像。以此得到的光聲圖像就可以作為病變診斷的依據，為臨床提供有效的信息[1]。

1 光聲成像在醫學診斷中的研究進展

光聲（PA）技術作為一種新的非侵入性生物成像模式在臨床檢測中具有巨大的潛力，與傳統的光學成像相比，光聲成像（PAI）能夠在更深的成像深度下實現更高分辨率的成像，PAI的指導有助于遠程控制藥物遞送[2]。此外，光聲成像還用于包括血管生長和抗血管生成反應、微循環病理學、生物標志物、腦生物學和藥物篩查反應等內在PA對比（血紅蛋白和黑色素）的研究，而且使用PA作為成像模式納米醫學評估和圖像引導藥物傳播正在出現[3]。在肌肉檢測中，定量光聲成像用于早期檢測肌肉缺血損傷[4]。在乳腺癌中，對原發性病變檢測有積極的臨床影響，用于乳腺癌術中分子水平的手術指導[5]。光聲成像還可用于皮膚外科醫生在術前體內非黑色素瘤皮膚癌（NMSC）可視化的成像[6]。在技術方面，利用自制的納米探針，光聲成像實現了光聲分子成像和光熱治療。在前哨淋巴結治療上，光聲成像技術通過對美國食品藥品管理局（FDA）批準的臨床外源性對比劑（吲哚菁綠或亞甲基藍）的成像，可以無損地在體外精確定位前哨淋巴結的位置，并通過活檢針，把手術轉化為活檢取樣的微創過程，這樣不僅極大地減少了病人的創傷和痛苦，也給醫生帶來極大的便利，并有望顯著地減少醫療費用、降低手術創傷[7]。在輔助檢查方面，Yang等[8]設計的一種光聲內窺鏡系統，它的基本成像原理與光聲顯微鏡一樣，不同之處在于光聲內窺鏡對成像系統實現了微型化并采用了特殊的掃描機構，以滿足深入人體內部檢查的需要。在最新的報道中，研究人員表示光聲成像還能鑒別癌癥的分期與疾病進展情況。該技術已經進入臨床試驗。隨著光聲成像在各系統中研究的開展，其在婦科腫瘤疾病中的研究也取得了一定實質性成果。

2 光聲成像在婦科腫瘤中的研究進展

女性婦科腫瘤一直是困擾廣大女性的惡性腫瘤之一，嚴重影響了女性的健康。常見的婦科腫瘤有外陰腫瘤、陰道腫瘤、子宮腫瘤、卵巢腫瘤和輸卵管腫瘤。以子宮及卵巢腫瘤多見，外陰及輸卵管腫瘤少見。從臨床來看，婦科腫瘤早期的發現比例依然不高，多數就診患者已處于中晚期，錯失了治愈的機會，主要由于缺少更好的檢查診斷方法。

光聲成像在卵巢腫瘤中的應用較多。Bhat R A等[9]利用離體卵巢腫瘤組織探討光聲光譜在記錄卵巢組織光譜中的應用潛力，并利用光譜模式區分腫瘤與非腫瘤，這是一項初步研究。Aguirre A等[10]的實驗室所設計開發的一個配準超聲和光學成像系統用于卵巢的成像，這個系統是由一個1.75D的超聲陣列組成，可以提供多個超聲脈沖回波B型掃描的圖像，他們提供了立體人類卵巢圖像，包括正常、異常以及惡性卵巢組織，初步結果表明，光聲成像輔助超聲能夠基于光吸收以及分布格局來區分正常卵巢和惡性卵巢。Alqasemi U等[11]介紹了體外卵巢組織的超聲和光聲圖像的獨特特征以及這些特征與腫瘤生理的關系。通過一系列方法提取了24個特征，并用于訓練三種分類器，包括廣義線性模型、神經網絡和支持向量機（SVM）。SVM的訓練效果最好，并通過后續的新增識別，得出SVM具有100%敏感性和87.88%特異性將癌變與非癌變病例進行分離。Jokerst J V等[12]提出一種結合光聲/拉曼方法，使用金納米棒（GNRs）作為被動靶向分子顯像劑。這是首次使用光聲和拉曼顯像劑對卵巢癌腫瘤進行體內成像。研究了三種不同高寬比的GNRs。高寬比為3.5的納米粒子被選為體內和體外PA信號最高的粒子，并用于活體小鼠成像，結果表示在3小時內即可觀察到最大PA信號，且增加的信號持續至少2天。同時可以通過表面增強拉曼光譜（SERS）成像清晰地顯示腫瘤與正常組織之間的邊界以及腫瘤的去瘤。最后他們還利用生物分布數據和元素分析驗證了成像結果?；诩{米顆粒的光聲成像研究也越來越多。

在子宮腫瘤疾病中，現有的篩查和診斷方法并不能對子宮及子宮頸的病變進行有效的檢測。具有皮下植入子宮內膜（EMs）組織的裸鼠模型被廣泛用于人類子宮內膜異位癥的研究。Ding等[13]將光聲顯微成像方法成功應用于EM動物模型3D成像的研究。依賴于獨特的光吸收特性，PAM在裸鼠模型中非侵入性診斷EM中表現出更高的靈敏度和特異性。此外，使用PAM的體內研究可以同時成像EM病變和周圍血管，因此提供了非侵入性研究EM及其微環境的優越途徑。Peng等[14]首次提出了宮頸癌（CC）的光聲診斷方法。該研究共進行了30個體外實驗，并對獲得的深度最大振幅投影（DMAP）圖像進行分析，以評估不同臨床分期CC的血管生成程度。實驗結果表明，正常組織的MOA很?。ň?0.025），即使在5mm的深度也能很好地區分高于CIN2的病變。結果還表明，MOA與病變分期有很強的相關性。這些結果提示PAI在CC的臨床診斷中可能有很大的應用價值。Okawa S等[15]應用富士公司生產的經陰道探頭的PAI及超聲系統，對PAI在宮頸病變及癌的診斷中的作用進行了研究。在利用PAI進行定量診斷時，需要考慮光在生物介質中的傳播。本研究嘗試利用基于有限元方法的光傳播模擬，從宮頸PA圖像中重建吸收系數的圖像。進行了數值模擬、體模實驗和活體成像。驗證了光聲成像在宮頸疾病中診斷和觀察有重要幫助。

3 展望

隨著技術的發展，光聲成像技術在生物醫學成像領域的有著越來越重要的應用價值和廣闊前景，也取得了一定的突破，應用到越來越多的領域當中。但是光聲成像目前仍然具有一些局限性，比如成像過程中的聲學問題以及超聲換能器的研制及結果穩定性等。在后續的研究中，希望光聲成像能夠實現更大的突破，為臨床診斷和檢查提供更便利安全的手段。

參考文獻：

[1]Xu M H， Wang L V. Photoacoustic imaging in biomedicine. Rev Sci Instrum，2006，77（4）：41101-0.

[2]Zhang Y Q， Yu J C， Kahkoska A， etal. Photoacoustic Drug Delivery. Sensors，2017，17（6）：p.1400.

[3]James M L， Gambhir S S. A Molecular Imaging Primer： Modalities， Imaging Agents， and Applications. Physio Rev，2012，92（2）：897-965.

[4]Chen L， Ma H， Liu H， etal. Quantitative photoacoustic imaging for early detection of muscle ischemia injury. Am J Transl Res，2017，9（5）：2255-2265.

[5]Maeda A， Bu J C， Chen J， etal. Dual in vivo Photoacoustic and Fluorescence Imaging of HER2 Expression in Breast? Tumors for Diagnosis， Margin Assessment， and Surgical Guidance. Mol Imaging，2015，14（1）：p. 7290201400043.

[6]Attia A B E， Chuah S Y， Razansky D， etal. Noninvasive real-time characterization of non-melanoma skin cancers with handheld optoacoustic probes. Photoacoustics，2017，7：20-26.

[7]Erpelding T N， Kim C， Pramanik M， etal. Sentinel lymph nodes in the rat： noninvasive photoacoustic and us imaging with a clinical us system. Radiology，2010，256（1）：102-110.

[8]Yang J， Maslov K， Yang H， etal. Photoacoustic endoscopy. Opt Lett，2009，34：1591-1593.

[9]Bhat R A， Kamath S D， Mahato K K， et al. Photoacoustic spectroscopic aid in diagnosis of malignancy in ovarian tumors. Aacr Meeting Abstracts，2006（3）：B25.

[10]Aguirre A， Guo P， Gamelin J， etal. Coregistered three-dimensional ultrasound and photoacoustic imaging system for ovarian tissue characterization. J Biomed Opt，2009，14（5）：054014.

[11]Alqasemi U， Kumavor P， Aguirre A， et al. Recognition algorithm for assisting ovarian cancer diagnosis from coregistered ultrasound and photoacoustic images： ex vivo study. J Biomed Opt，2012，17（12）：126003.

[12]Jokerst J V， Cole A J， Sompel D V D， etal. Gold Nanorods for Ovarian Cancer Detection with Photoacoustic Imaging and Resection Guidance via Raman Imaging in Living Mice. ACS Nano，2012，6（11）：10366.

[13]Ding Y， Zhang M， Lang J， etal. In vivo study of endometriosis in mice by photoacoustic microscopy. J Biophotonics，2014，8（1-2）：94-101.

[14]Peng K， He L， Wang B， etal. Detection of cervical cancer based on photoacoustic imaging-the in-vitro results. Biomed opt express，2015，6（1）：135-143.

[15]Okawa S， Sei K， Hirasawa T， etal. In vivo photoacoustic imaging of uterine cervical lesion and its image processing based on light propagation in biological medium. Spie Bios，2017.